Механические св-ва, определяемые при циклических испытаниях.

Эти св-ва опред. в условиях когда возд. силы изменяются по периодическому закону и возд. на материал длительное время. При таком воздействии в материале постепенно накапливаются необратимые изменения приводящие в конечном счете к разрушению к разрушению материала. Это явление называется явлением усталости, а св-во материала выносливостью. Основной количественной оценкой выносливости является предел выносливости.

Предел выносливости – такое max. мех. напряжение, которое материал выдерживает без разрушения при кол-ве циклов нагружении 10⁷-10⁸ циклов и коэф. ассиметрии цикла R

 

 

Параметры кристаллической решетки.

Min объем кристалла который однозначно характеризует атомно-кристаллическое строение всего мат. называется электронной ячейкой. Для характеристики геом. формы в любой элем. ячейке сущ. 6 геом. параметров –а) 3 периода кристаллической решетки (a,b,c); - min расстояние между ближайшими частицами в 3-х основных кристаллографических направлениях.

б)3 угла (α,β,γ) между основными кристаллографическими направлениями.

 

 

Существуют простые и сложные эл. ячейки. В сложных ячейках частицы расположены не только в узлах решетки, но внутри её, на гранях и ребрах. Сложность решетки количественно характеризуется параметром сложности, т.е. числом эл. частиц приход. на 1 ячейку. В простых ячейках всегда этот параметр равен 1. В сложных – 2 и более. Степень заполнения объема эл. ячейки частицами называется плотностью упаковки или компактностью ячейки. Компактность ячейки хар. координац. числом К.

Коор. число К- это число ближайших равноудаленных элементарных частиц от данной частицы.

6 геом. параметров, параметр сложности и параметр компакт. однозначно характеризую сколь угодно сложную кристаллическую решетку.

Основные типы кристаллических решеток в металлах

В металлах и сплавах наиболее часто встречаются следующие 3 сложных элементарных ячейки:

1)Объемноцентрированая кубическая

 

а=в=с α=β=γ=90⁰

n=2 на ячейку К8

Пример: щелочные и щелочноземельные. Fe_α

2)Гранецентрированная кубическая

 

 

а=в=с α=β=γ=90⁰

n=4 К=12

Пример: золото Аu, серебро Ag,

3)Гексагональная плотноупакованная

 

а=в≠с

α=β≠γ γ=120⁰ β=90⁰

n=6 К=12

Пример: Al, Zn, Ti.

Анизотропия в металлах.

Для идеальных кристаллов и монокристаллов характерно явление анизотропии, т.е. неоднородности св-в по различным направлениям. Это связано с разной плотностью расположения частиц в кристалле в различных направлениях и плоскостях. В обычных ме, которые в естественном состоянии явл. поликристаллами анизотропия на проявляется. Их называют квазинтрозотропными (видимо изотропными). Однако при некоторых технологических воздействиях (прокат, штамповка, ковка) в поликристаллах появляются предпостительная ориентировка структуры (текстуры) и сразу же возникает анизотропия. Это явление вредно и может быть устранено у поликристаллических материалов специальный термической обработкой – обжигом.

Точечные дефекты кристаллов.

Это такие дефекты, которые имеют все 3-и размера, не превышающих одного межатомного расстояния 1)вакансии (дырка) 2)межузельный атом (франкеля)

 

1)вакансия

2)межузельный атом

Точечный дефект вызывают относительно небольшие, но все таки искажение кристаллической решетки (1-2 межатомных расстояния) и в их естественной концентрации в ме большого влияния на механические св-а не оказывают, хотя довольно сильно влияют на физические и химические св-ва, такие как элетро и теплопроводность, коррозионная стойкость, скорость хим. реакций, закономерности фазовых превращений.

Линейные дефекты кристаллов.

Это дефекты у которых 2 геометрических размера < межатомного, а один (длина) – сотни тысяч межатомных расстояния. К этим дефектам относят: 1)Краевые дислокации 2)Винтовые дислокации Краевая дислокация – это край экстра плоскости полуплоскости в кристаллической решетке.

 

 

Винтовая дислокация образуется в результате винтового сдвига 1-ой части кристалла относительно другой.

 

Винтовая дислокация – это линия (еоƒ) проходящая через корень сдвига (точка О). В направлении сдвига перпендикулярно плоскости не деформируемого кристалла.

Влияние дислокации на прочностных свойства материала неоднозначна и иллюстрируется следующим графиком.

 

 

σвр- теоретическая прочность идеального кристалла. Определяется прочностью межатомных связей. Iуч- участок упрочнения.

При невысокой плотности дислокаций (10⁶) они движутся по материалу свободно в результате чего прочность резко падает, однако при нарастании плотности дислокации 10⁹, 10¹⁰ см^-2 дислокации начинают «замечать» друг друга и взаимодействовать: -самоуничтожение; -торможение; -блокировка.

Затрудненное передвижение дислокации в этом случае приводит к росту прочности и этот участок кривой называется участком упрочнения. При плотности 10¹², 10¹³, наступает эффект пресыщения дислокации. Материал становится не сплошным и разрушается.

Поверхностные и объемные дефекты кристаллов.

Поверхностные

Они имеют 2 размера значимых, а 1 – толщину менее 1 межатомного расстояния. К ним относятся поверхности раздела (границы). Различают 2 вида границ: 1)малоугловые 2)большеугловые.

Малоугловые границы образуются между монокристаллическими фрагментами в поликристаллах. Разориентировка кристаллограф. плотностей между этими фрагментами – субзернами на малоугловой границе не превышают 5%. Малоугловые границы как правила состоят из 1-2-х слоев дислокаций.

Большеугловые границы на которых может быть любой угол разориентировки >5%. Возникает между зернами и состоит не только из большого кол-ва дислокаций и точечных дефектов но и иных загрязнений и неоднородностей.

Влияние малоугловых и большеугловых границ опред. их Сум. плотн. и разветвлений. Чем больше эта площадь и разветвления, чем более мелкозернистый, мелкокристалл. материал, тем больше его прочность, т.к. развитие трещины в таком материале затруднено и требует дополнительных усилий, поэтому целью любой технологии приводящей к получению высокопрочного материала явл. создание в этом материале мелко зернистых или мелко дисперсной структуры.

объемные дефекты

эти дефекты имеют все 3 размера превышающих межатомное расстояние. К ним относятся все несплошности, не однородности, загрязнения, микро и макро трещины, поры, газовые пузыри и т.д.

Все эти дефекты однозначно ухудшают мех. св-ва сплавов.

Самопроизвольная кристаллизация металлов.

Спонтанная кристаллизация характерна для чистых вещ-в, где практически отсутствуют инородные частицы. Зародышами (центрами кристаллизации) явл. группы атомов ближнего порядка которые всегда сущ. в жидкости. Однако для развития кристаллизации необходимо энрг. условие, которое иллюстрируется след. графиком.

 

ΔТ-степень переохлаждения

Тs- равновесная t.

Анализ графика показывает, что процесс кристаллизации развивается при условии некоторого переохлаждения (перегрева) когда образуется термодинамический потенц. ΔG, то есть св. энергии ТВ. фазы становится меньше эн. жидкости. В этом случае образуются устойчивые к росту зародышей кристаллов на поверхности которой из жидкости постоянно диффундируют атомы кристаллизующегося вещ-ва. Сначала растущий зародыш имеет практически идеальную кристалл. решетку, но достаточно скоро на пов. зародыша образуются дислокации и таким образом формируется субзерно.

Рост данного зародыша заканчивается когда он сталкивается с растущим рядом зародышем. Таким образом получается зернистая структура (зерно). Скорость образования зародышей и скорость их роста закономерным образом зависит от степени переохлаждения ΔТ.

 

Анализ графика показывает, что при увеличении степени переохлаждения (перегрева) которая в свою очередь зависит от V охлаждения (ΔТ/Δτ=Vохл), скорость образования преобладает над V их роста. В результате чего образуются мелко кристаллическая, мелко зернистая структура сплава. И наоборот при малых V охлаждения зернистая структура укрупняется.